CN106444917B - 一种航天周期性工作热源的控温装置 - Google Patents

一种航天周期性工作热源的控温装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种航天周期性工作热源的低功耗高精度控温装置，属于航天领域周期性工作热源的温度控制技术领域，尤其适用于周期性工作热源工作时间短、不工作时间长的情况。由热电制冷器、相变热管、散热板、温度传感器、控制电路组成。热电制冷器的冷面与热源连接，热面与相变热管的一端连接，相变热管的另一端与散热板连接。热电制冷器、控制电路与粘贴在热源上的温度传感器组成的主动控温回路根据热源温度决定热电制冷器正向工作制冷或反向工作制热。本发明具有功耗低，散热面积小的特点。

Description

一种航天周期性工作热源的控温装置
技术领域
本发明涉及一种航天周期性工作热源的低功耗高精度控温装置，属于航天领域周期性工作热源的温度控制技术领域，尤其适用于周期性工作热源工作时间短、不工作时间长的情况。
背景技术
周期性工作热源的特点是每个周期仅工作一段时间，其余时间为不工作。航天领域的很多周期性工作热源等对温度稳定性要求非常严格，如相机的CCD器件，其发热密度大，热容小，不控温的情况下其工作和不工作时的温度波动可达几十度，而CCD器件工作时温度波动过大会增大暗电流和热噪声从而降低光电转换的能力，导致信噪比降低，影响图像质量，因此需要对周期性工作的热源进行高精度的控温。
现有航天周期性工作热源的高精度控温技术主要有以下两种：
最常见的方案为热管+加热回路+散热板方案，其一般原理如下：采用普通槽道热管将热源与散热板连接起来，当热源工作时，热源热量通过热管传递至散热板上，散热板通过辐射换热将热量排散到热沉中，从而实现对热源的被动制冷。当热源不工作时，通过布置在热管上的控温回路进行补偿控温，给散热通道提供相当于热源工作时的热量，从而确保热源的温度恒定。这种技术在热源不工作时需补偿大量的功耗以维持热源的温度水平，使系统周期平均热控功耗大，对某些一个周期内工作时间远小于与不工作时间的热源尤其如此。
热电制冷器控温方案：采用热电制冷器对热源进行制冷控温，制冷器热面通过热传导或热辐射将热量传递至热沉。由于热电制冷器热面对散热要求苛刻，单纯采用热电制冷器极易出现冷、热面温差较大，制冷系数很低的情况，使得散热面积大，热源不工作补偿功耗也较大，因而系统周期平均热控功耗大。
由以上分析知现有的航天周期性工作热源的高精度控制技术主要存在周期平均热控功耗高，散热面积大的缺点。对于在轨主要靠蓄电池来调节能量供应的卫星而言，周期平均功耗是衡量设备在轨能耗大小的一个主要指标，周期平均功耗越大，意味着卫星有效载荷的越少。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种周期平均热控功耗低、散热面积小的航天周期性工作热源的高精度控温装置。
本发明的技术解决方案是：
一种航天周期性工作热源的控温装置，该装置包括控制电路、热电制冷器、相变热管、温度传感器和散热板；
热电制冷器的冷面与热源贴合，热电制冷器的热面与相变热管的一端贴合，相变热管的另一端与散热板贴合；上述的贴合处均形成贴合面，贴合面上均填充有导热填料，以减少接触热阻；温度传感器与控制电路之间通过导线或电缆连接，热电制冷器与控制电路之间通过导线或电缆连接；
所述的导热填料为导热硅脂、导热硅胶或导热绝缘垫；温度传感器采用硅橡胶粘结在热源上；
所述的热电制冷器中的热电材料为优值系数较高的材料，优选碲化铋材料；
所述的相变热管采用相变特性较好的材料，相变热管采用石蜡类相变材料，优选正十二烷、正十四烷、正十六烷或正十八烷；
所述的散热板均采用导热性能良好的材料制成，散热板铝合金材料制成，优选铝合金6063，对面积较大的散热板可采用在其上布置正交铝氨槽道热管的方式增强其均温性能；散热板的散热面上涂敷有散热涂层，所述的散热涂层为OSR片或白漆。
工作过程：
周期性工作热源工作时，热源温度开始上升，当控制电路检测到温度传感器的温度高于设定值时，控制电路会发指令让热电制冷器正向加电工作，将热量从热电制冷器的冷面传递到热电制冷器的热面，从而实现对热源的制冷控温，同时热量经热电制冷器的热面传递到相变热管内，相变热管将一部分热量通过固液相变贮存起来，将另一部分热量传递至散热板上；
周期性工作热源不工作时，热源温度开始下降，当控制电路检测到温度传感器的温度低于设定值时，控制电路会发指令让热电制冷器反向加电工作，将热量从热电制冷器的热面传递到热电制冷器的冷面，实现对热源的制热控温；所述的从热电制冷器的热面传递到热电制冷器的冷面的热量包括相变热管发生相变时释放的能量和给热电制冷器输入的电能。
一种航天周期性工作热源的控温装置，该装置包括控制电路、热电制冷器、相变热管、温度传感器、散热板和微型热管；
热电制冷器的冷面与热源贴合，热电制冷器的热面与微型热管的一端贴合，微型热管的另一端与相变热管的一端贴合，相变热管的另一端与散热板贴合；上述的贴合处均形成贴合面，贴合面上均填充有导热填料，以减少接触热阻；温度传感器与控制电路之间通过导线或电缆连接，热电制冷器与控制电路之间通过导线或电缆连接；
所述的导热填料为导热硅脂、导热硅胶或导热绝缘垫；温度传感器采用硅橡胶粘结在热源上；
所述的热电制冷器中的热电材料为优值系数较高的材料，优选碲化铋材料；
所述的相变热管采用相变特性较好的材料，相变热管采用石蜡类相变材料，优选正十二烷、正十四烷、正十六烷或正十八烷；
所述的散热板均采用导热性能良好的材料制成，散热板铝合金材料制成，优选铝合金6063，对面积较大的散热板可采用在其上布置正交铝氨槽道热管的方式增强其均温性能；散热板的散热面上涂敷有散热涂层，所述的散热涂层为OSR片或白漆；
所述的微型热管采用外形小而传热性能良好的热管，微型热管采用铝氨槽道热管，优选5mm×3.4mm工字形铝氨槽道热管或5mm×4mm矩形铝氨槽道热管；
工作过程：
周期性工作热源工作时，热源温度开始上升，当控制电路检测到温度传感器的温度高于设定值时，控制电路会发指令让热电制冷器正向加电工作，将热量从热电制冷器的冷面传递到热电制冷器的热面，从而实现对热源的制冷控温，同时热量经热电制冷器的热面传递到微型热管，热量再通过微型热管传递到相变热管内，相变热管将一部分热量通过固液相变贮存起来，将另一部分热量传递至散热板上；
周期性工作热源不工作时，热源温度开始下降，当控制电路检测到温度传感器的温度低于设定值时，控制电路会发指令让热电制冷器反向加电工作，将热量从热电制冷器的热面传递到热电制冷器的冷面，实现对热源的制热控温；所述的从热电制冷器的热面传递到热电制冷器的冷面的热量包括经过微型热管传输的相变热管发生相变时释放的能量和给热电制冷器输入的电能。
一种航天周期性工作热源的控温装置，该装置包括控制电路、热电制冷器、相变热管、温度传感器、散热板和微型热管；
热电制冷器的冷面与微型热管的一端贴合，微型热管的另一端与热源贴合，热电制冷器的热面与相变热管的一端贴合，相变热管的另一端与散热板贴合；上述的贴合处均形成贴合面，贴合面上均填充有导热填料，以减少接触热阻；温度传感器与控制电路之间通过导线或电缆连接，热电制冷器与控制电路之间通过导线或电缆连接；
所述的导热填料为导热硅脂、导热硅胶或导热绝缘垫；温度传感器采用硅橡胶粘结在微型热管上；
所述的热电制冷器中的热电材料为优值系数较高的材料，优选碲化铋材料；
所述的相变热管采用相变特性较好的材料，相变热管采用石蜡类相变材料，优选正十二烷、正十四烷、正十六烷或正十八烷；
所述的散热板均采用导热性能良好的材料制成，散热板铝合金材料制成，优选铝合金6063，对面积较大的散热板可采用在其上布置正交铝氨槽道热管的方式增强其均温性能；散热板的散热面上涂敷有散热涂层，所述的散热涂层为OSR片或白漆；
所述的微型热管采用外形小而传热性能良好的热管，微型热管采用铝氨槽道热管，优选5mm×3.4mm工字形铝氨槽道热管或5mm×4mm矩形铝氨槽道热管；
工作过程：
周期性工作热源工作时，热源温度开始上升并带动微型热管的温度上升，当控制电路检测到温度传感器的温度高于设定值时，控制电路会发指令让热电制冷器正向加电工作，将热量从热电制冷器的冷面传递到热电制冷器的热面，实现对微型热管的制冷控温，从而实现对与微型热管连接的热源的间接控温，同时热量经热电制冷器的热面传递到相变热管内，相变热管将一部分热量通过固液相变贮存起来，将另一部分热量传递至散热板上；
周期性工作热源不工作时，微型热管的温度下降并带动热源温度开始下降，当控制电路检测到温度传感器的温度低于设定值时，控制电路会发指令让热电制冷器反向加电工作，将热量从热电制冷器的热面传递到热电制冷器的冷面，实现对微型热管的制热控温，从而实现对与微型热管连接的热源的间接控温；所述的从热电制冷器的热面传递到热电制冷器的冷面的热量包括相变热管发生相变时释放的能量和热电制冷器输入的电功耗。
有益效果
(1)本发明的装置采用热电制冷器进行主动高精度制冷，而非传统的被动制冷。在不需要制冷时由于热电制冷器导热热阻较大，漏热较少，使得热源不工作时所需补偿热功率小；
(2)本发明的装置热电制冷器反向工作时可从相变热管吸热，使其制热效率远大于1；
(3)本发明的装置利用相变热管的恒温性能，可确保与之贴合的热电制冷器的热面温度基本恒定，因此可确保不论是正向工作还是反向工作时，热电制冷器都有较高的工作效率。故系统总的控温电功耗小。
(3)本发明的装置相变热管对热耗有削峰填谷的作用，使散热面面积可以按周期平均热耗设计，从而可减少散热面面积；
(4)本发明的装置既具有高精度控温的优势，又可大大减少系统的周期平均热控功耗和散热面积。
(5)一种航天周期性工作热源的低功耗高精度控温装置，由热电制冷器、相变热管、散热板、温度传感器、控制电路组成。热电制冷器的冷面与热源连接，热面与相变热管的一端连接，相变热管的另一端与散热板连接。热电制冷器、控制电路与粘贴在热源上的温度传感器组成的主动控温回路根据热源温度决定热电制冷器正向工作制冷或反向工作制热。由于相变热管具有恒温特性，使热电制冷器不论正向还是反向的工作效率均很高。又由于热电制冷器导热热阻较大，使得热源不工作时所需补偿热功率小，故系统总的控温电功耗小。相变热管对热耗有削峰填谷的作用，使系统散热面积可按周期平均热耗设计，故与现有高精度控温技术相比，本发明具有功耗低，散热面积小的特点。
附图说明
图1为实施例1中的装置的结构示意图；
图2为实施例2中的装置的结构示意图；
图3为实施例3中的装置的结构示意图；
图4为对比例中的装置的结构示意图。
具体实施方式
本发明的技术方案之一为：航天周期性工作热源的低功耗高精度控温装置，其特征在于：热电制冷器、相变热管、散热板，温度传感器，控制电路组成。热电制冷器的冷面与周期性工作的热源贴合，热电制冷器的热面与相变热管的一端贴合，相变热管的另一端与散热板贴合。温度传感器粘贴在周期性工作的热源上。热电制冷器、温度传感器、控制电路组成主动控温回路根据热源温度反馈决定热电制冷器正向工作制冷或反向工作制热。
上述工作原理：当周期性工作的热源开始工作，温度传感器检测到热源温度开始上升并高于设定值时，控制电路控制热电制冷器正向工作，对热源进行制冷控温，同时将热量经热电制冷器的热面传递至相变热管内。由于相变热管具有恒温和均温特性，热量一方面被通过相变热管传递到散热板上，最终排散到热沉空间中。另一方面被相变热管以相变潜热的形式储存起来。当热源不工作时，温度传感器检测到热源温度开始下降并低于设定值时，控制电路控制热电制冷器反向工作对热源加热，由于热电制冷器导热热阻较大，漏热较少，使得热源不工作时所需补偿热功率小，而且热电制冷器反向工作时可从具有相变热管吸热，其制热效率远大于1。同时由于相变热管的恒温性能，可确保与之贴合的热电制冷器的热面温度基本恒定，故可确保热电制冷器不论正向工作还是反向工作时的效率均较高，故系统总的控温电功耗小。由于又相变热管对热耗具有削峰填谷的作用，使散热面面积可以按周期平均热耗设计，故可减少散热面面积。因此相比现有技术，本发明既具有高精度控温的优势，又可大大减少系统的周期平均热控功耗和散热面积。
本发明的技术方案之二为：航天周期性工作热源的低功耗高精度控温装置，其特征在于：热电制冷器、相变热管、散热板，温度传感器，控制电路，微型热管组成。与方案一的区别在于热电制冷器与相变热管间增加了微型热管，利用微型热管良好的均温性能，以解决由于空间不足时热电制冷器与相变热管无法直接连接的问题。其工作原理与方案一完全一致。仅热源至散热面的沿程热阻略有增加。
本发明的技术方案之三为：航天周期性工作热源的低功耗高精度控温装置，其特征在于：热电制冷器、相变热管、散热板，温度传感器，控制电路，微型热管组成。与方案一的区别在于热源与热电制冷器间增加了微型热管，以解决由于空间不足热电制冷器与相变热管无法直接连接的问题。同时温度传感器布置在与热电制冷器直接贴合微型热管上，即控温对象由热源变成了微型热管，同时热源至散热面的沿程热阻略有增加。通过与方案一相同的工作原理控制微型热管温度恒定，从而间接保证热源的温度恒定。
如图1所示，为本发明的不含微型热管的航天周期性工作热源的低功耗高精度控温装置，即本发明的组成方式一，它由控制电路1、热电制冷器2、相变热管3、温度传感器4、散热板5组成，热电制冷器2的冷面与热源6贴合，热电制冷器2的热面与相变热管3的一端贴合，相变热管3的另一端与散热板5贴合。以上贴合面之间均采用导热填料(如导热硅脂，导热硅胶，导热绝缘垫等)，以减少接触热阻，当周期性工作的热源6开始工作，温度传感器4检测到热源6温度开始上升并高于设定值时，控制电路会发指令让热电制冷器2正向工作，对热源6进行制冷控温。同时热量经热电制冷器2的热面传递到相变热管3内，相变热管3将大部分热量通过固液相变贮存起来，将少部分热量传递至散热板5上。当热源6不工作时，温度传感器4检测到热源6温度开始下降并低于设定值时，控制电路1控制热电制冷器2反向工作制热控温，确保热源6温度恒定。热量一方面来自热电制冷器2的电功耗，另一方面来自相变热管3内相变材料释放的潜热。
如图2所示为本发明的组成形式之二，在热电制冷器2与相变热管3之间通过微型热管7连接。其工作规律与本发明基本组成形式完全一致，区别仅在于热电制冷器2与相变热管3之间有微型热管7，使热源6至散热面5的传热热阻略有增大。
如图3所示为本发明的组成形式之三，与组成形式一的区别在于在热源6与热电制冷器2之间通过微型热管7连接。同时温度传感器布置为微型热管上，即控温对象由热源7变成了微型热管6，同时热源至散热面的沿程热阻略有增加。通过控制微型热管7的温度恒定来间接保证热源6的温度恒定。
上述3个具体实施方式中的热电制冷器2的热电材料均为采用优值系数较高的材料制成，目前较常见的如碲化铋材料等。相变热管3采用相变特性较好的材料，目前较常见的如正十二烷，正十四烷，正十六烷，正十八烷等。微型热管7采用外形小而传热性能良好的热管，如5mm×3.4mm工字形铝氨槽道热管、5mm×4mm矩形铝氨槽道热管等。散热板5均采用导热性能良好的材料制成，如铝合金6063等，对面积较大的散热板可采用在其上布置正交热管的方式增强其均温性能。
所述的热电制冷器由上下两片陶瓷片和中间的热电材料组成，可通过切换其输入电流的方向来实现对目标物体的制冷或制热。
所述的相变热管内既有普通槽道热管的气液两相通道，也有填充相变材料的通道，使得相变热管既具有恒温特性，又具有均温特性。
所述的控制电路内根据温度反馈通过调节热电制冷器的输入电压或电流或工作时间来控制热电制冷器的制冷量(或制热量)，从而实现对热源的温度控制。
实施例1
一种航天周期性工作热源的控温装置，该装置包括控制电路1、热电制冷器2、相变热管3、温度传感器4和散热板5；
热电制冷器2的冷面与热源6贴合，热电制冷器2的热面与相变热管3的一端贴合，相变热管3的另一端与散热板5贴合；上述的贴合处均形成贴合面，贴合面上均填充有导热硅脂，以减少接触热阻；温度传感器4与控制电路1之间通过电缆连接，热电制冷器2与控制电路1之间通过电缆连接；温度传感器4采用硅橡胶粘结在热源6上；
所述的热电制冷器2中的热电材料为碲化铋材料；
所述的相变热管3采用正十六烷；
所述的温度传感器4为MF61型热敏电阻；
所述的散热板5为铝合金6063。
所述的控制器1通过控制热电制冷器的工作时间来控制热源的温度。
实施例2
一种航天周期性工作热源的控温装置，该装置包括控制电路1、热电制冷器2、相变热管3、温度传感器4、散热板5和微型热管7；
热电制冷器2的冷面与热源6贴合，热电制冷器2的热面与微型热管7的一端贴合，微型热管7的另一端与相变热管3的一端贴合，相变热管3的另一端与散热板5贴合；上述的贴合处均形成贴合面，贴合面上均填充有导热硅胶，以减少接触热阻；温度传感器4与控制电路1之间通过导线连接，热电制冷器2与控制电路1之间通过导线连接；温度传感器4采用硅橡胶粘结在热源6上；
所述的热电制冷器2中的热电材料为碲化铋材料；
所述的相变热管3采用正十六烷；
所述的散热板5采用铝合金6063，其上布置有正交铝氨槽道热管；
所述的微型热管7采用5mm×3.4mm工字形铝氨槽道热管；
所述的温度传感器4为MF61型热敏电阻。
所述的控制器1通过控制热电制冷器的工作时间来控制热源的温度。
实施例3
一种航天周期性工作热源的控温装置，该装置包括控制电路1、热电制冷器2、相变热管3、温度传感器4、散热板5和微型热管7；
热电制冷器2的冷面与微型热管7的一端贴合，微型热管7的另一端与热源6贴合，热电制冷器2的热面与相变热管3的一端贴合，相变热管3的另一端与散热板5贴合；上述的贴合处均形成贴合面，贴合面上均填充有导热绝缘垫，以减少接触热阻；温度传感器4与控制电路1之间通过电缆连接，热电制冷器2与控制电路1之间通过电缆连接；温度传感器4采用硅橡胶粘结在微型热管7上；
所述的热电制冷器2中的热电材料为碲化铋材料；
所述的相变热管3采用正十六烷；
所述的散热板5采用铝合金5A06，散热板5的散热面上涂敷有OSR片；
所述的微型热管7采用5mm×4mm矩形铝氨槽道热管。
所述的温度传感器4为MF61型热敏电阻。
所述的控制器1通过控制热电制冷器的工作时间来控制热源的温度。
对比例
如图4所示，采用热管+加热回路+散热板方案。
一种航天周期性工作热源的控温装置，该装置包括控制电路1、加热片8温度传感器4、散热板5和微型热管7；
热源6与微型热管7的一端贴合，微型热管7的另一端与散热板5贴合；上述的贴合处均形成贴合面，贴合面上均填充有导热绝缘垫，以减少接触热阻；温度传感器4与控制电路1之间通过电缆连接，加热片8与控制电路1之间通过电缆连接；温度传感器4采用硅橡胶粘结在微型热管7的侧面上；加热片8采用硅橡胶粘结在微型热管7上。
所述的加热片8为聚酰亚胺薄膜型加热器；
所述的温度传感器4为MF61型热敏电阻；
所述的散热板5采用铝合金5A06，散热板5的散热面上涂敷有OSR片；
所述的微型热管7采用5mm×4mm矩形铝氨槽道热管。
所述的控制器1通过控制加热片的工作时间来控制热源的温度。
采用实施例3种的控温装置和对比例中的控温装置对某空间相机的周期性热源CCD器件(以下简称CCD)进行控温所需热控代价的仿真(采用热分析软件Thermal Desktop)对比，结果如表1所示；
某空间相机周期性热源CCD的控温要求：工作平台为650km的太阳同步轨道三轴稳定的卫星，离心率为0.001，降交点地方时10：30AM，轨道倾角为97.5°，CCD工作时间最长为10min/圈。CCD共计3片，每片工作时发热功耗为4w，不工作为0w。要求CCD控温区间为20±5℃，CCD工作期间温度波动0℃-4℃。
散热板5开设在卫星背阴面(卫星+Y面)。温度传感器的控温阈值设置为18℃±0.2℃。本发明实施例3中共采用4根微型热管7并排将3片热源6(即3片CCD)串联起来，热电制冷器2的规格为23mm×23mm×4mm，共采用4个并联。相变热管3长1m，相变热容为35.72KJ。对比例中共采用4根微型热管7并排将3片热源6(即3片CCD)串联起来。
表1不同热控方案下的热控代价对比
通过表1可知，实施例3所需散热面积仅为对比例的16％。周期平均热控功耗仅为对比例的5％。
以上所述，仅为本发明的几种具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，简单的推演或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种航天周期性工作热源的控温装置，其特征在于：该装置包括控制电路(1)、热电制冷器(2)、相变热管(3)、温度传感器(4)和散热板(5)；
热电制冷器(2)的冷面与热源(6)贴合，热电制冷器(2)的热面与相变热管(3)的一端贴合，相变热管(3)的另一端与散热板(5)贴合；温度传感器(4)与控制电路(1)之间通过导线或电缆连接，热电制冷器(2)与控制电路(1)之间通过导线或电缆连接，温度传感器(4)采用硅橡胶粘结在热源(6)上；
在热电制冷器(2)的冷面与热源(6)的贴合处、热电制冷器(2)的热面与相变热管(3)的一端贴合处、相变热管(3)的另一端与散热板(5)的贴合处均填充有导热填料；
所述的导热填料为导热硅脂、导热硅胶或导热绝缘垫；
所述的热电制冷器(2)中的热电材料为碲化铋材料，所述的相变热管(3)采用石蜡类相变材料，所述的散热板(5)为铝合金材料制成；
所述的石蜡类相变材料为正十二烷、正十四烷、正十六烷或正十八烷；
所述的散热板(5)上还布置有正交的铝氨槽道热管，散热板(5)的散热面上涂敷有散热涂层，所述的散热涂层为OSR片或白漆。
2.一种航天周期性工作热源的控温装置，其特征在于：该装置包括控制电路(1)、热电制冷器(2)、相变热管(3)、温度传感器(4)、散热板(5)和微型热管(7)；
热电制冷器(2)的冷面与热源(6)贴合，热电制冷器(2)的热面与微型热管(7)的一端贴合，微型热管(7)的另一端与相变热管(3)的一端贴合，相变热管(3)的另一端与散热板(5)贴合；温度传感器(4)与控制电路(1)之间通过导线或电缆连接，热电制冷器(2)与控制电路(1)之间通过导线或电缆连接；温度传感器(4)采用硅橡胶粘结在热源(6)上；
所述的微型热管(7)采用铝氨槽道热管；
所述的微型热管(7)为5mm×3.4mm工字形铝氨槽道热管或5mm×4mm矩形铝氨槽道热管。
3.一种航天周期性工作热源的控温装置，其特征在于：该装置包括控制电路(1)、热电制冷器(2)、相变热管(3)、温度传感器(4)、散热板(5)和微型热管(7)；
热电制冷器(2)的冷面与微型热管(7)的一端贴合，微型热管(7)的另一端与热源(6)贴合，热电制冷器(2)的热面与相变热管(3)的一端贴合，相变热管(3)的另一端与散热板(5)贴合；温度传感器(4)与控制电路(1)之间通过导线或电缆连接，热电制冷器(2)与控制电路(1)之间通过导线或电缆连接；温度传感器(4)采用硅橡胶粘结在微型热管(7)上。
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